ZigBee 技術是一種具有統一標準的短距離無線通信技術。其命名來自于人們對蜜蜂采蜜過程中跳“Z”字舞的觀察。蜜蜂體積小，所需能量小，又能傳送采集的花粉，因此人們用ZigBee 代表成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術。本文對ZigBee 網絡的結構進行了介紹，對ZigBee射頻性能進行了分析，并對ZigBee射頻測試的方法進行了討論。

1、引言

ZigBee 作為將對21 世紀產生巨大影響的新技術之一，與傳統網絡相比，無線傳感器網絡是一種以數據為中心的自組織無線網絡，具有可快速臨時組網、網絡拓撲結構可動態變化、抗毀性強、無需架設網絡基礎設施等特點。基于這些特點，ZigBee 被廣泛應用于軍事、環境監測、智能家居、建筑物狀態監控、復雜機械監控、城市交通、空間探索，以及機場、大型工業園區的安全檢測等領域。環境監測是無線傳感器網絡應用的一個方面，傳感器網絡在環境監測領域具有非常明顯的優勢，可以為實現更加準確、數據量更大、對環境影響更小的環境監測提供一個全新的手段。

ZigBee 技術以其低成本、低功耗、網絡容量大、傳輸時延短和可靠性高等特點，在環境監測、智能家居、樓宇自動化、工業控制等領域得到廣泛應用。

2、ZigBee技術特點及其網絡結構

(1)、ZigBee的技術特點

● 低功耗：由于ZigBee 的傳輸速率低，發射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee 設備非常省電。據估算，ZigBee 設備僅靠兩節5 號電池就可以維持長達2 年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

● 成本低：ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右，估計很快就能降到1.5~2.5 美元，并且ZigBee 協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

● 時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此，ZigBee 技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。

● 網絡容量大：一個星型結構的ZigBee 網絡最多可以容納254 個從設備和一個主設備，而且網絡組成靈活。

● 可靠：采取了碰撞避免策略(CSMA-CA)，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

● 安全：ZigBee 提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128 的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

(2)、ZigBee網絡中的設備和網絡拓撲結構

按設備的功能強弱劃分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。

● 全功能設備有更多的存儲器、計算能力，具有全部802.15.4 功能和所有特性。有控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。

● 精簡功能設備僅附帶有限的功能來控制成本和復雜性，只作為終端設備使用，使用小內存、小協議棧，實現簡單。

按設備在網絡中的作用劃分為Zig-Bee 協調器、ZigBee 路由器和ZigBee 終端設備。

● ZigBee 協調器處于網絡頂層，它總是處于工作狀態，有穩定可靠的電源供給。包含所有的網絡信息，是3 種設備中最復雜的一種，存儲容量大、計算能力強。能發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息等。它們只能由FFD承擔。

● ZigBee 路由器必須具備數據的存儲和轉發能力及路由發現能力。除完成應用任務外，還必須支持其子設備的連接、路由表的維護等。它們只能由FFD承擔。

● ZigBee 終端設備結構和功能最簡單，用電池供電，大部分時間處于睡眠狀態，最大程度地節約電能，延長電池壽命。可以由FFD 承擔，但主要還是由RFD承擔。

IEEE 802.15.4/ZigBee 協議中明確定義了3 種拓撲結構，即星型結構(Star)、簇樹結構(ClusterTree)和網狀結構(Mesh)，具體參見圖1。

圖1、幾種基本的網絡模型

在星狀拓撲中，網絡由一個協調器控制。協調器要負責初始化并維護網絡以及網絡中的所有其他設備，這些設備均作為終端設備直接與協調器通信。在Mesh 或簇樹網絡中，協調器負責啟動網絡并設置某些關鍵參數，但是網絡可以通過路由器進行擴展。在簇樹網絡中，路由器采用分級路由策略傳送數據和控制信息。樹狀網絡通常使用基于信標的通信模式。Mesh網絡允許完全的點對點通信，在Mesh 網絡中路由器不會發送常規IEEE802.15.4 信標。

3、ZigBee射頻測試主要內容及分析

ZigBee 的測試規范主要依據IEEE 802.15.4 標準對整機性能進行測試。整機性能測試包括發射機和接收機性能測試。發射機射頻的主要需求分為兩部分：保證有用信道中發射信號的質量和防止來自于無用發射的頻率分量。接收機應具有對抗大范圍干擾信號的能力，從而保證有用信號可靠解調，并避免傳輸的過度敏感。下面詳細介紹ZigBee的發射測試和接收測試。

(1)、發射機測試

發射機測試原理：分析發射機發射信號，首先要用一個理想的接收機把發射信號變成數字的基帶信號。然后在數字中進行信號處理，得出相應的指標。實際測試時，一般利用高性能的頻譜儀或信號分析儀作為理想的接收機。經過理想接收機并AD轉換后得到IO數據，對這些數據進行一系列的脈沖成形濾波、內插、抽取就會得到初始的測量信號，然后還需要對測量信號進行幅度、相位和頻率，以及時間的修正以得到修正測量信號，然后對測量信號進行解擾、解擴、解調、再調制、再擴頻、再加擾，經過成形濾波器就得到了參考信號，最后通過修正測量信號和參考信號的比較計算就得到了信道內測量的各個指標。

對于發射機，在發射機測試指標里主要包括如下測試項目：

● 發射機信號輸出功率

發射機發射功率應不干擾其他設備和系統，因此ZigBee 的輸出功率一定要滿足指標要求。不同地區的最大發射功率在相應的頻段上是不同的，在中國最大發射功率為10mW(EIRP)。

● 功率升降

● 頻譜發射模板

對于無線數據通信ZigBee 來說，發射機的頻譜發射模板及雜散發射特性直接影響其對現存的無線電業務造成干擾。發射機頻譜功率應低于規定的限值，在我國頻譜功率模板限值如表1 所示。對于相對限值和絕對限值，平均功率譜均值的測量均采用100kHz 的分辨率帶寬。對于相對限值參考功率為中心頻率fc±600kHz最高的平均功率譜密度。

表1、最大發射功率狀態發射雜散

● 發射雜散

發射機雜散輻射是由于非期望的發射機現象引起的(例如諧波輻射、寄生輻射、互調產物)，但是不包括帶外輻射。雜散輻射限值僅限于從信道邊緣開始計算，大于有用帶寬2.5 倍的頻率范圍。為了改善測量精度、靈敏度和效率，分辨率帶寬可以小于測量帶寬。

● 中心頻率容限

發射中心頻率容忍度應在頻率最大值的±40ppm范圍內。

● 星座圖誤差

● 誤差矢量幅度(EVM)

EVM指的是誤差向量(包括幅度和相位的失量)，表征在一個給定時刻理想無誤差基準信號(物理層規范參考信號)與實際發射信號的向量差(見圖2)。從EVM參數中，我們可以了解到一個輸出信號的幅度誤差和相位誤差。

圖2、誤差矢量計算

圖2 誤差矢量計算EVM是衡量一個RF 系統總體調制質量的指標，定義為信號星座圖上測量信號與理想信號之間的誤差，用來表示發射器的調制精度，調制解調器、PA、混頻器、收發器等對它都會有影響。發射機調制的準確度決定于EVM 的測量。當測量1000 碼片時發射機的EVM應小于35%。接收到的實際發送信號應在接收系統恢復后的基帶IQ碼片上測量。

(2)、接收機測試

接收機測試原理：接收機測試目的是為了評估無線數據通信接收部分整體性能是否符合設計和驗收要求。一般情況下測試端口位于射頻輸入端口，采用標準信號源產生射頻測試信號，饋入接收機，然后對輸出碼流進行測試以對接收機性能進行評估。

在接收機測試指標里主要包括如下測試項目：

● 符號錯誤容限

在我國采用780MHz 頻段O-QPSK/MPSK 調制的物理層符號速率應為62.5ksymbol/s，此時符號精度為± 40ppm。

● 接收機靈敏度

接收機靈敏度是指滿足一定的接收包錯誤率的情況下，接收機的最小輸入功率。在滿足表2 條件下設備具有達到-85dBm或更好的靈敏度。

表2、接收機要求

● 最大輸入電平

接收機的最大輸入電平是接收機期望信號在接收機輸入端，滿足表2 要求的最大輸入功率。接收機的最大輸入電平應大于等于-20dBm。

● 接收機阻塞

阻塞特性指的是在期望信道之外存在干擾信號的情況下，干擾信號使接收有用信號質量下降幅度不超過接收機PER限值，即PEB<1%。其中，相鄰信道為所需信道任意一邊最近的信道，備用信道為相鄰信道的下一信道。

相鄰信道抗干擾應按如下方法測量：所需信道應按定義的780MHz O-QPSK/MPSK PHY 信號配置，信號功率應設為比測得的最大允許的接收機靈敏度大3dB。

● 能量檢測

信道能量檢測為網絡層提供信道選擇依據。主要測量目標信道中接收信號的功率強度，由于這個檢測本身不進行解碼操作，所以檢測結果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。

● 鏈路質量指示(LQI)

鏈路質量指示為網絡層或應用層提供接收數據幀時無線信號的強度和質量信息，與信道能量檢測不同的是，它要對信號進行解碼，生成的是一個信噪比指標。這個信噪比指標和物理層數據單元一并提交給上層處理。LQI 測量是描述接收數據包的質量。其測量可能會用到接受機ED、信噪比估計，或者兩者的結合。

● 空閑信道估計(CCA)

物理層應提供以下方法中至少一種來體現空閑信道估計CCA的能力。判斷信道的信號能量，若信號能量低于某一個門限量，則認為信道空閑；判斷無線信道的特征，這個特征主要包括兩方面，即擴頻信號和載波頻率；綜合前兩種模式，同時檢測信號強度和信號特征，給出信道空閑判斷。

● CCA測量參數

—— ED 門檻為對應于接收信號功率至少大于接收機靈敏度+10dB。

—— CCA 的檢測時間應為8 符號周期。

4、ZigBee 射頻參考測試方案

ZigBee 終端的射頻測試系統由無線測試儀、頻譜儀和信號發生器組成硬件平臺，在此基礎上采用GPIB或LAN口進行系統控制，在主控計算機上開發測試軟件，最終實現全自動測試。

● 無線測試儀：支持ZigBee 信令模式，支持IEEE802.15.4 規定的物理層特性的ZigBee信號。

● 矢量信號源：支持IEEE 802.15.4 規定的物理層特性的ZigBee信號。

● 頻譜分析儀：支持ZigBee 終端頻譜測試和雜散測試，帶寬要達到30MHz～12.75GHz。

發射機測試原理圖如圖3 所示，ZigBee 發射信號進入矢量信號分析儀，測量各個發射機指標。

圖3、發射機測試原理圖

普通接收機測試原理圖如圖4 所示，矢量信號發生器產生標準ZigBee 信號傳送給ZigBee 組件接收機，ZigBee 產生ACKFrame 確認接受。矢量信號分析儀分析ACK是否符合標準。

圖4、接收機原理測試圖

接收機阻塞原理圖如圖5 所示，矢量信號發生器1產生主要信號，矢量信號發生器2 產生鄰信道干擾信號發送給待測件，測試接收機阻塞性能。

圖5、接收機阻塞原理測試圖

5、結束語

ZigBee 預計到2015 年國內物聯網市場規模將達到7500 億元，年復合增長率超過30%。智慧城市建設成為運營商推進物聯網的重要落腳點。此外，工業和信息化部和財政部已設專項資金用以支持物聯網發展。據悉，2013 年投入的專項資金支持預算較2012 年有所增長，將超過5 億元。業內人士預計未來10 年內物聯網會大規模普及，其產業規模將遠超互聯網。由此可知，ZigBee 技術將會發展迅速，其未來的應用范圍也會相當的廣泛。

作者：于劍飛 魏陽 張秩惟 石美憲 工信部電信研究院